Kunststoffe - GIDA

Inhalt und Einsatz im Unterricht
"Kunststoffe"
(Chemie Sek. I + II)
Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema „Kunststoffe“ für die
Sekundarstufe I + II.
Das Hauptmenü bietet folgende 5 Filme zur Auswahl:
Vielfalt der Kunststoffe
Polymerisation
Polyaddition
Polykondensation
Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere
(+ Grafikmenü mit 17 Farbgrafiken)
11:00 min
10:20 min
10:50 min
8:20 min
10:20 min
Die Filme erklären mithilfe von aufwändigen und impressiven 3D-Computeranimationen
die Vielfalt der Kunststoffe und ihre Entstehung. Der erste Film
bietet auf einfachem Niveau eine Einleitung ins Thema „Kunststoffe“. Die
folgenden Filme stellen die Herstellungsprozesse Polymerisation, Polyaddition
und Polykondensation auf gehobenem Niveau vor. Der Film „Polymerisation“
zeigt ausführlich die Polyethylen-Bildung und in Schlaglichtern auch PP, PVC
und PS. Für die Polyaddition werden im Film Polyurethane hergestellt. Bei der
Polykondensation dienen Polyether und Polyester als Beispiele – als
Kondensate werden H 2O, CO 2, NH 3 und HCl genannt. Der letzte Film schildert
ausführlich die unterschiedliche Entstehung und die typischen Eigenschaften
von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren.
Die Inhalte der Filme sind stets altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet.
Die Filme bieten z.T. Querbezüge, bauen aber inhaltlich nicht streng
aufeinander auf. Sie sind daher in beliebiger Reihenfolge einsetzbar, wobei der
Start mit dem Film „Vielfalt der Kunststoffe“ ratsam ist.
Ergänzend zu den o.g. 5 Filmen finden Sie auf dieser DVD:
- 17 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren
(in den Grafik-Menüs)
- 14 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schülerund
in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)
Im GIDA-"Testcenter" (auf www.gida.de)
finden Sie auch zu dieser DVD „Kunststoffe“ interaktive und selbstauswertende
Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder
auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten,
ausdrucken etc.
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Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVD
Über den „Windows-Explorer“ Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die
Dateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner „DVD-ROM“.
In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei
start.html
Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem
Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial
der DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und
DVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.).
Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich
automatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den
Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben).
Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung (mit
eingetragenen Lösungen) vor. Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich
der Kerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar.
Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie aber auch einzelne oder
alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.
Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:
Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin
(Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek. I + II)
Unser Dank für zur Verfügung gestelltes Bild-/Filmmaterial geht an:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Lanxess Deutschland GmbH
AVG Köln mbH
Continental Reifen Deutschland GmbH
Inhaltsverzeichnis
Seite:
DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4
Die Filme
Vielfalt der Kunststoffe 5
Polymerisation 7
Polyaddition 10
Polykondensation 12
Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere 14
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DVD-Inhalt - Strukturdiagramm
Hauptmenü
Filme
Vielfalt der Kunststoffe
Polymerisation
PE und PP (Modul)
PVC und PS (Modul)
Polyaddition
PUR (Modul)
PUR-Schäume (Modul)
Polykondensation
Thermoplaste,Duroplaste,
Elastomere
Thermoplaste (Modul)
Elastomere (Modul)
Duroplaste (Modul)
Menü
Grafiken
Grafiken
17 Grafiken
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Vielfalt der Kunststoffe
Laufzeit: 11:00 min, 2013
Lernziele:
- Verschiedene Grundlagen der Polymerchemie kennenlernen, u.a. die
Struktur von Makromolekülen (Polymere);
- Verwertungsprozesse für Kunststoffabfälle unterscheiden können.
Inhalt:
Der Film bietet eine Einführung in das Thema „Kunststoffe“. 1909 wurde das
von Fritz Hofmann (1866-1956) entwickelte Produktionsverfahren für den
Synthesekautschuk BUNA patentiert. Hermann Staudinger (1881-1965)
forschte an großen chemischen Molekülen. 1922 prägte er den Begriff
„Makromoleküle“ (später auch „Polymere“ genannt).
Abbildung 1: Fritz Hofmann und Hermann Staudinger
Makromoleküle bestehen aus
vielen tausend Bausteinen. So
ist das Makromolekül Stärke
aus tausenden von Glukosemolekülen
zusammengesetzt.
Ein Makromolekül, auch Polymer
genannt, besteht meist
aus 1-3 immer wieder aneinandergefügten
Atomgruppen.
Der einzelne Baustein eines
Polymers heißt „Monomer“. Die
Kunststoff-Chemie nennt man Abbildung 2: Makromolekül Stärke
auch Polymer-Chemie.
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Die Polymerchemie ist eng mit der Petrochemie verbunden. Aus Erdöl werden
Grundstoffe gewonnen, die als Monomere in die Kunststoffproduktion
einfließen. Kunststoffe bestehen aus künstlich erzeugten Makromolekülen, die
zwar organischen Ursprung haben, aber nicht in der Natur vorkommen.
Kunststoffe werden in drei Typenklassen eingeteilt, die jeweils unterschiedliche
Eigenschaften besitzen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.
Abbildung 3: Thermoplaste
Da Kunststoffe sehr widerstandsfähig und langlebig sind, kommt effektiven
Recyclingverfahren eine große Bedeutung zu. Bei der werkstofflichen
Verwertung kann man den Kunststoff einschmelzen und in neue Produkte
gießen. Die rohstoffliche Verwertung zerlegt schwer trennbare Kunststoff-
Gemische in ihre gasförmigen Ausgangsstoffe. Bei der thermischen Verwertung
schließlich werden die Kunststoffe unter Energie-Rückgewinnung verbrannt.
Abbildung 4: Recycling
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* * *

Polymerisation
Laufzeit: 10:20 min, 2013
Lernziele:
- Das Prinzip der Polymerisation am Beispiel des Polyethylen verstehen;
- Weitere Polymerisationsprodukte wie PP, PVC und PS kennenlernen.
Inhalt:
Der Film erklärt das Prinzip der Polymerisation ausführlich am Beispiel von
Polyethylen. Polyethylen ist der meistproduzierte Kunststoff der Welt. Er gehört
zur Klasse der Thermoplaste und lässt sich gut recyceln. Polyethylen ist
lösemittelfest und besitzt eine unpolare und hydrophobe Oberfläche. Außerdem
lässt er sich sauber zu Kohlenstoffdioxid und Wasser verbrennen.
Abbildung 5: Polyethylen
Polyethylen besteht ausschließlich aus Ethen-Monomeren. Ethen ist ein
Vertreter der Alkene und besteht aus vier Wasserstoffatomen und zwei doppelt
gebundenen Kohlenstoffatomen.
Ein Starter-
Radikal, ein angeregtes
Molekül mit einem freien
Elektron am letzten C-
Atom, bewirkt beim Ethen
das Aufbrechen eines der
beiden C-C-Bindungselektronenpaare
in zwei
freie Elektronen. Dann
bindet das Starter-Radikal
an eines der freien
Elektronen an.
Abbildung 6: Starter-Radikal
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Das andere freigestellte Elektron bewirkt beim nächsten Ethen wieder
denselben Vorgang. Auf diese Weise läuft eine Kettenreaktion ab. Schließlich
werden Stopp-Moleküle zugegeben, die die Kettenreaktion beenden. Die
Polymerisation verknüpft also viele Ethen-Monomere zu einem langen Strang.
Die Monomere bleiben in ihrer Form erhalten und auch ihre Atom-Anordnung
wird nicht verändert.
Abbildung 7: PE-Polymerisation im Kalottenmodell
Weitere Polymere, die auf diesem Reaktionsprinzip beruhen, sind Polypropylen,
Polyvinylchlorid und Polystyrol.
Zur Herstellung von Polypropylen benötigt man Propen. Propen ist ein
Propanmolekül mit einer C-C-Doppelbindung. Durch ein Starter-Radikal wird
auch hier die Kettenreaktion ausgelöst (Aufbrechen der C-C-Doppelbindungen),
es bildet sich Polypropylen.
Abbildung 8: Polypropylen
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Weiteres Beispiel im Film: Aus dem Monomer Vinylchlorid entsteht in der
Polymerisation Polyvinylchlorid. Das Monomer Vinylchlorid produziert man aus
Ethen, indem man Chlor zusetzt. Dabei brechen die C-C-Doppelbindungen auf
und es bildet sich Dichlorethan. Durch Erhitzen gibt Dichlorethan ein Molekül
Salzsäure ab, Ergebnis ist Vinylchlorid.
Abbildung 9: Polyvinylchlorid, Eigenschaften
Auch Polystyrol kann man vom Ethen ableiten. Am Ethen wird ein H-Atom
durch einen Benzolring ersetzt, es entsteht das Monomer Styrol.
Abbildung 10: Styrol
* * *
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Polyaddition
Laufzeit: 10:50 min, 2013
Lernziele:
- Das Prinzip der Polyaddition am Beispiel Polyurethan kennenlernen.
Inhalt:
Der Film zeigt die Bildung von Polyurethan. Polyurethane sind entweder
schaumig oder verschleißfest. Sie entstehen aus zwei Bestandteilen, eines ist
immer ein Diol oder Polyol. Im Film wird die Bildung am Beispiel von dem Polyol
1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiisocyanat gezeigt.
Abbildung 11: Produkte aus Polyurethanen
1,4-Butandiol besitzt zwei Hydroxy-Gruppen. 1,6-Hexandiisocyanat besteht aus
zwei Isocyanat-Gruppen an einer Hexan-Gruppierung.
Abbildung 12: Polyaddition
Bei der Polymerbildung bindet sich der Sauerstoff des Diols an den Kohlenstoff
der Isocyanatgruppe. Dadurch wird ein Elektronenpaar der C-N-Doppelbindung
zum Stickstoff „gedrückt“. Der Sauerstoff gibt nun Wasserstoff ab, der sich an
das freie Elektronenpaar beim Cyanat-Stickstoff bindet.
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Bei dieser Polyaddition kommt es also zu einer Atom-Umgruppierung. Ein
Wasserstoffatom des Diols lagert sich an die Isocyanatgruppe an. Auf diese
Weise entsteht die Urethan-Gruppe. Dann bindet die zweite OH-Gruppe des
Diols an ein weiteres Diisocyanat und die zweite Isocyanatgruppe bindet an ein
weiteres Butandiol (d.h. die Polymerkette kann prinzipiell in beide Richtungen
wachsen).
Um einen Polyurethan-Schaum zu erhalten, setzt man während der Polymerbildung
Wasser hinzu. Das Wasser reagiert mit freien Isocyanatgruppen, es
bildet sich eine Harnstoffgruppe als „Ersatz“ für die Urethan-Gruppe, dabei wird
Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Das Kohlenstoffdioxid „bläst“ die Polyurethan-
Masse regelrecht auf und es entsteht ein schaumiger Kunststoff.
Abbildung 13: Produktion in Deutschland
Die weltweite Produktion von Polyurethan im Jahr 2012 betrug ca. 18 Millionen
Tonnen. In Deutschland wurden 2012 ca. 1,5 Millionen Tonnen Polyurethan
erzeugt. Kurz nennt der Film die Bereiche, in denen Polyurethan verwendet
wird. Als Erster erzeugte 1937 Otto Bayer (1902-1982) bei IG Farben in
Leverkusen Polyurethane.
Abbildung 14: Otto Bayer
* * *
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Polykondensation
Laufzeit: 8:20 min, 2013
Lernziele:
- Die Polykondensation an Polyethern und Polyestern kennenlernen;
- Den Polyester PET als Rohstoff für Getränkeflaschen kennenlernen.
Inhalt:
Bei der Polymerbildung durch Polykondensation wird aus miteinander
reagierenden Molekülen Wasser freigesetzt (häufige Reaktion, es gibt aber
auch andere „Kondensate“).
Abbildung 15: Polyether
Die Entstehung von Polyethern wird am Beispiel des Monomers Propan-1,2-diol
gezeigt, ein Alkohol mit zwei Hydroxygruppen.
Während der Polykondensation bindet eine Hydroxygruppe ein
Wasserstoffatom aus der Hydroxygruppe des nächsten Diols und verlässt als
Wasser den Verbund. Es bleibt eine Sauerstoffbrücke zurück, die zwei
Propanolmoleküle verbindet, also eine Ethergruppe. Die außen verbliebenen
OH-Gruppen reagieren auf dieselbe Weise mit weiteren Propandiolen.
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Auch Polyester werden durch Polykondensation gebildet. Im Film werden
Ethandisäure und Ethandiol beispielhaft gezeigt. Die OH-Gruppe der Säure
übernimmt ein H von der Alkoholgruppe und Wasser kondensiert. Es entsteht
ein Ester, Polyethylenoxalat.
Abbildung 16: Ausgangsstoffe des Polyester
Weiteres Beispiel: Per Polykondensation reagieren Ethandiol und
Terephthalsäure zu dem Ester Terephthalsäurehydroxyethylester. Dann lagern
sich weitere dieser Diol- und Säure-Monomere an, es bildet sich das Polymer
Polyethylenterephthalat, abgekürzt PET.
Abbildung 17: PET-Dimer, Start zur Polymerbildung
In einer (Poly)Kondensationsreaktion können auch andere Moleküle freigesetzt
werden, zum Beispiel Ammoniak, Chlorwasserstoff oder Kohlenstoffdioxid.
* * *
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Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere
Laufzeit: 10:20 min, 2013
Lernziele:
- Die drei Typklassen der Kunststoffe kennenlernen;
- Die Eigenschaften der Typklasse in der Verarbeitung erfahren.
Inhalt:
Kunststoffe kann man in drei Typklassen ordnen: Thermoplaste, Duroplaste und
Elastomere.
Thermoplaste bestehen aus langen, untereinander nicht verbundenen
Polymerketten. Bei Wärmezufuhr können sie aneinander vorbeigleiten, so dass
man Thermoplaste wieder einschmelzen und neu formen kann. Zu dieser
Gruppe zählen PE, PP, PVC und PET.
Elastomere bestehen aus langen, nur punktuell verknüpften Polymersträngen.
Sie sind elastisch, so dass sie immer wieder in ihre produzierte Form
zurückkehren.
Duroplaste besitzen stark vernetzte Polymerstränge. Sie sind hart und spröde
und nicht mehr verformbar. Deswegen kann man sie gut bearbeiten. PUR
gehört zu dieser Gruppe.
Abbildung 18: Typklassen der Kunststoffe
Ein typisches Thermoplast ist PET, Polyethylenterephthalat. Getränkeflaschen
aus PET werden in einem zweistufigen Spritzgussverfahren hergestellt.
Thermoplaste besitzen bifunktionelle Monomere, die zu Polymersträngen
verbunden sind. Im festen Zustand liegen die Polymerstränge von PET dicht
und parallel aneinander. Bei Erhitzung auf die Schmelztemperatur von ca. 250
Grad Celsius lösen sich die Polymerstränge voneinander. PET wird weich und
formbar. Bei der Abkühlung erstarrt es in der neuen Form.
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Abbildung 19: Vulkanisation
Naturkautschuk wird erst durch Vulkanisation zu einem Elastomer. Kautschuk
ist eigentlich ein Thermoplast und die Polymerstränge sind frei gegeneinander
beweglich. Wenn man Roh-Kautschuk mit Schwefel erhitzt, bilden sich
Schwefelbrücken, die das Polymergefüge vernetzen. Dadurch wird Kautschuk
elastisch.
Duroplaste können u.a. von trifunktionellen Monomeren gebildet werden. Sie
bilden dann eine netzartige Polymerstruktur, die nicht einfach gelöst werden
kann. Duroplaste bleiben auch bei Erwärmung fest, bei starker Hitze zersetzen
sie sich.
Ein weiteres Duroplast ist Polyesterharz. Es bleibt auch bei Zimmertemperatur
flüssig. Erst wenn ein Härtermolekül die C-Doppelbindungen der Polymerharz-
Kette öffnet und so eine Querverbindung zwischen den C-Ketten bildet, härtet
das Harz aus. Es kann nicht wieder verflüssigt werden.
Abbildung 20: Polyesterharz
Kunststoffe lassen sich also nach ihren Produkteigenschaften in Thermoplaste,
Elastomere und Duroplaste unterscheiden oder nach ihrer Polymerentstehung
in Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation.
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